Optimización de puentes pretensados mediante la metodología de la superficie de respuesta

Nos acaban de publicar en la Revista CIATEC-UPF (Revista de Ciências Exatas Aplicadas e Tecnológicas da Universidade de Passo Fundo, CIATEC-UPF – ISSN 2176-4565) , un artículo relacionado con la optimización de pórticos de hormigón armado con sistemas de agrupación de columnas. Se trata de una colaboración con el profesor Moacir Kripka y está dentro del proyecto de investigación DIMALIFE.

Os paso a continuación el resumen y una copia descargable del artículo, pues está publicado en abierto. Espero que os sea de interés.

RESUMEN:

Los puentes son infraestructuras esenciales para mejorar la comunicación dentro de un territorio. La optimización constituye un proceso que permite obtener puentes de menor coste bajo ciertas restricciones. Debido a la complejidad de los problemas estructurales, la optimización matemática no es útil y se recurre a la optimización heurística debido a su mayor eficacia. En este trabajo se presenta una alternativa a la optimización heurística basada en los metamodelos. El procedimiento consiste en una reducción de los factores iniciales mediante el diseño de experimentos, reduciendo significativamente la complejidad del problema sin perder información. Posteriormente, se aplica la metodología de la superficie de respuesta para obtener el óptimo del problema. Este procedimiento se aplica a un tablero de un puente de losa maciza que cumpla todas las restricciones de las normativas.

PALABRAS CLAVE:

Hormigón estructural. Optimización. Puente pretensado. Metamodelo. Superficie de respuesta

REFERENCIA:

PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; KRIPKA, M. (2019). Optimización de puentes pretensados mediante la metodología de la superficie de respuesta. Revista CIATEC-UPF, 11(2):22-35. https://doi.org/10.5335/ciatec.v11i2.9159

 

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Vídeo informativo del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón

A continuación os mando un vídeo que se ha elaborado para difundir el Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón. Se trata de un máster acreditado por EUR-ACE, que constituye un posgrado de 90 créditos impartido en la Universitat Politècnica de València, siendo responsabilidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil.

Pero lo más interesante es que, si estás interesado, puedes solicitar la preinscripción en el siguiente enlace: http://www.masterenhormigon.com/matricula/preinscripcion/solicitud

También os paso un pequeño vídeo que elaboré en su día, cuando era el Director Académico del Máster, explicando brevemente el contenido y objetivos de este máster:

Pilotes prefabricados de hormigón armado hincados

Figura 1. Detalle de azuche de acero en pilote de prefabricado de hormigón (Rodio Kronsa). Fuente: http://www.fontdarquitectura.com/productos/cimentaciones/pilotes/588

Los pilotes prefabricados de hormigón constituyen una técnica de cimentación profunda enmarcada en los pilotes de desplazamiento. Este tipo de pilotes pueden fabricarse de hormigón armado o pretensado.

Los pilotes prefabricados de hormigón armado suelen de sección cuadrada, de dimensiones habituales entre 200 y 400 mm de lado, aunque también los hay de sección rectangular, circular o poligonal. A veces, incluso pueden ser huecos para poder introducir algún tipo de canalización como las instalaciones de geotermia. Por sus dimensiones reducidas se utilizan para cargas y longitudes moderadas, como en obras de edificación. Se confeccionan con hormigones de resistencia característica mayor a 40 MPa. Las armaduras longitudinales son de, al menos, 12 mm de diámetro, disponiéndose como mínimo una barra en cada vértice. Las armaduras transversales serán, de al menos 6 mm de diámetro, duplicándose la cuantía en al menos una longitud de 3 veces el diámetro del pilote. Se comportan bien por fuste en arenas, gravas y arcillas. La durabilidad es buena, pero en ambientes agresivos se deben proteger las armaduras de la corrosión con cementos especiales o revestimientos.

Los prefabricados presentan ventajas como el curado al vapor, la disminución de almacenaje en obra, los mayores rendimientos y la calidad entre otros. Ello permite cargas de trabajo de 10 – 12,5 MPa, lo que disminuye la sección para igual capacidad portante. Son habituales secciones de 25×25 cm y 30×30 cm para capacidades que van de 600 a 1000 kN.

Con longitudes largas, se realizan empalmes entre las piezas de hormigón, de un máximo habitual de 12 m por razones de transporte. Las juntas de empalme suelen ser objeto de patente y pueden ser mecánicas (tipo machihembrado), por anclaje mediante resinas epoxi, mediante forros de acero o soldados en piezas metálicas dejadas en los extremos. Además, se debe cuidar la manipulación del pilote desde el vehículo de transporte hasta el lugar de hinca.

La hinca de estos pilotes se suele realizar mediante equipos de caída libre, con una maza entre 50 y 110 kN que se eleva mediante equipos de accionamiento hidráulico. La maza golpea constantemente la cabeza del pilote hasta su rechazo, que se produce cuando, tras un determinado número de golpes, el pilote no desciende un determinado número de centímetros. En ese momento, se supone una capacidad resistente tanto por rozamiento por fuste como por su trabajo en punta. No obstante, en suelos arcillosos, debe comprobarse el rechazo alcanzado, transcurrido un periodo mínimo de 24 horas.

La protección de la punta del pilote frente a la hinca es un detalle que no se debe olvidar. Para ello suele añadirse una pieza metálica cónica o piramidal, o bien un azuche metálico específico como puede verse en la Figura 1, que permite también la fijación del pilote en un sustrato rocoso. Se trata de azuche especial denominado punta de Oslo. En la Figura 2 se observa la protección de la cabeza del pilote frente a la hinca.

Figura 2. Detalle del anillo de protección del pilote frente al golpeo. Imagen: I. Serrano (www.desdeelmurete.com)

Una vez el pilote se hinca hasta el rechazo, la parte libre del pilote queda a distintas alturas. Ahora se debe limpiar y eliminar el hormigón de la cabeza que pueda haber quedado resentido por el golpeo de la maza y no reúna las características mecánicas necesarias y para dejar unas esperas para unir el pilote al encepado.

A continuación os dejo un vídeo explicativo que, entre otros, explica este tipo de pilote prefabricado. Espero que os sea de interés.

Os dejo un vídeo sobre el procedimiento constructivo de hinca de estos pilotes prefabricados.

Referencias:

FERNÁNDEZ-TADEO, C. (2018). ¿Cómo comprobar que los pilotes prefabricados hincados tienen la resistencia suficiente?. Interempresas.net

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Optimización de pasarelas peatonales de sección en cajón y hormigón de alta resistencia

Acaban de publicarnos un artículo en la revista International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements un artículo en el que optimizamos pasarelas peatonales de sección en cajón y hormigón de alta resistencia. Se trata de una publicación en abierto, por lo que os dejamos a continuación el artículo completo para su lectura y descarga.

ABSTRACT:

This paper deals with the economic optimization of high-performance post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. To this end, a program analyzes and evaluates the structural restrictions following Spanish codes for structural concrete and bridge design loads. This problem includes 33 discrete design variables that define the geometry, the concrete, the reinforcing steel bars and the post-tensioned steel. Various acceptance criteria are proposed to modify a variant of the simulated annealing algorithm with a neighborhood move based on the mutation operator from the genetic algorithms (SAMO). An objective methodology based on the extreme value theory is used to determine the number of experimental tests required to provide a solution with user-defined accuracy as compared to a global optimum solution. Results indicate that the local optima found by SAMO2 fits a three parameter Weibull distribution and improves the cost results for this structural problem. The minimum value obtained by SAMO2 differed just 0.34% compared to the theoretical minimum value so that, from the structural engineering perspective, the divergence was small enough to be accepted. High strength concrete performance was further studied in a concrete strength parametric study to acquire more evidence-based knowledge on its implications for economic efficiency. Finally, the study showed that high-strength concrete decreases the cost by 4.5% and the amount of concrete by 26%.

KEYWORDS:

Box-girder bridge, extreme value theory, high-strength concrete, post-tensioned concrete, simulated annealing, Structural optimization

REFERENCE:

YEPES, V.; PÉREZ-LÓPEZ, E.; GARCÍA-SEGURA, T.; ALCALÁ, J. (2019). Optimization of high-performance concrete post-tensioned box-girder pedestrian bridges. International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements, 7(2):118-129. DOI: 10.2495/CMEM-V7-N2-118-129

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Optimización heurística de pilas rectangulares huecas de hormigón armado

Figura. Geometría de la pila objeto de estudio

RESUMEN: 

El trabajo se centra en optimizar los costes de pilas rectangulares huecas de viaductos pretensados mediante métodos heurísticos y metaheurísticos, demostrando su efectividad. La evaluación de cada una de las soluciones se lleva a cabo mediante un módulo de comprobación según la instrucción EHE y Eurocódigo 2. El cálculo de esfuerzos se realiza aplicando las cargas de la IAP-98 y la comprobación frente a inestabilidad se hace por el método de Arenas y Villegas. Los métodos heurísticos utilizados son la búsqueda de aceptación por umbrales y las colonias de hormigas. Todos los métodos de búsqueda han sido aplicados a una pila tipo de 23.97 m de altura. Se concluye que la colonia de hormigas es la metaheurística más eficiente de las 4 comparadas.

PALABRAS CLAVE:

Optimización heurística, puentes, pilas rectangulares huecas, hormigón armado.

REFERENCIA: 

MARTÍNEZ, F.; PEREA, C.; YEPES, V.; HOSPITALER, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2007). Optimización heurística de pilas rectangulares huecas de hormigón armado. Hormigón y Acero, 244: 67-80. ISBN: 0439-5689. (link)

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Las fiebres tifoideas y los puentes de altura estricta de Carlos Fernández Casado

Carlos Fernández Casado (1905-1988)

No hay nada como un retiro obligado para que las mentes más brillantes reluzcan con todo su esplendor. Así, cuando en 1665 cerró la Universidad de Cambridge debido a la peste, Isaac Newton (1642-1727) tuvo que volver a casa natal de Woolsthorpe y, durante ese retiro, sentó las bases de sus teorías de cálculo y las leyes del movimiento y la gravitación. Algo similar ocurrió con uno de los ingenieros españoles más destacados y singulares del siglo XX, D. Carlos Fernández Casado. Recomiendo leer su biografía y obras a las nuevas generaciones de ingenieros, pues es todo un referente. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos con 19 años, también fue Ingeniero de Telecomunicaciones, Licenciado en Filosofía y Letras, Licenciado en Derecho a los 68 años, e incluso inició los estudios universitarios de Psicología. Con todo, su faceta humana y generosidad sobrepasan su inteligencia privilegiada y sus extraordinarios logros profesionales.

Pero la entrada de hoy tiene que ver con la relación existente entre el tiempo disponible forzado por un retiro, enfermedad o cualquier otra circunstancia, y la creación. Carlos Fernández Casado tuvo su primer destino profesional como ingeniero de caminos en Granada (1928-1932), lo que le permitió entrar en contacto con la intelectualidad de la época, cuya figura más visible fue Federico García Lorca, y con la Naturaleza en sus primeros trabajos, lo cual contribuyó a conformar su planteamiento intelectual y vital. Pues bien, al final de sus años en Granada enfermó con fiebres tifoideas, lo que le obligó a guardar cama durante varias semanas, propiciando esta situación la reflexión personal sobre lo que había hecho hasta el momento. Este hecho fue fundamental en su vida, pues significó un cambio de rumbo en su vida.

Fruto de estas reflexiones, a la temprana edad de 25 años, en 1930, Fernández Casado desarrolla la conocida “Colección de Puentes de Altura Estricta” (Manterola, 1988). El objetivo de esta colección era el diseño de puentes que pudieran salvar las luces prácticas más corrientes con la mínima pérdida de altura. Se trata de una de las mejores y más queridas obras realizadas por D. Carlos. Se refleja en esta colección la manera de concebir la ingeniería y el afán por lo estricto como planteamiento ético y estético. En una referencia recogida por su hijo, Leonardo Fernández Troyano (2007) publicada en la Revista de Obras Públicas, definía claramente esta concepción de lo estricto, concepción que ha calado en numerosas generaciones de ingenieros:

Este sentido de lo estricto -supresión de lo accesorio de la obra definitiva y a lo largo del proceso constructivo- elimina radicalmente lo decorativo, partiendo de lo funcional llegamos directamente a lo estructural” (Fernández-Casado, 1933).

La colección destila una simplicidad absoluta de sus elementos, con el uso exclusivo del plano y la línea recta, con la única excepción de las columnas cilíndricas, que encajan a la perfección al ser también ellos elementos estrictos, pues su forma interfiere mínimamente con el flujo hidráulico.

Pero esta simplicidad se hermana directamente con el amor que procesaba a la Naturaleza. El paradigma actual de la sostenibilidad, y que también tiene mucho que ver con mi pasión por la optimización multiobjetivo de los puentes, a la que tanto esfuerzo he dedicado. Todo un adelantado a su tiempo. En sus propias palabras:

Que se arranque lo menos posible el material de la mina, que la menor cantidad de piedra y arena se desvíen de su proceso evolutivo, que se consuma el mínimo de combustible en los transportes y se introduzcan las menos ideas nuevas en el paisaje” (Fernández-Casado,  1951).

La colección, muy ambiciosa morfológicamente, incluye pórticos sencillos (series I y II), pórticos en pi (series III y IV), puentes continuos de tres vanos (series V y VI), puentes continuos de tres vanos con articulaciones intermedias a media ladera (series VII y VIII). La sección transversal, por su parte, podía ser en losa, o en vigas T en la zona central del vano y cajones cerrados en las zonas laterales.

Los primeros tres puentes de esta colección se realizaron en Jaén, por encargo del ingeniero José Acuña y Gómez de la Torre. El primero fue el de Santo Tomé, el segundo el del río Onsares, y el tercero, el del río Guadalimar, construidos el primero en 1934 y los dos últimos, un año más tarde (Burgos et al., 2012). Se construyeron más de 50 puentes de la colección, tanto por Fernández Casado como por otros ingenieros. Como dice Javier Manterola en un artículo publicado a los pocos meses del fallecimiento de D. Carlos, (justo en el año en el que esto escribe terminó su carrera de Ingeniero de Caminos): “estos puentes son historia y en ellos nos reconocemos los que nos dedicamos a este quehacer” (Manterola, 1988).

Puente en Santo Tomé sobre el río de La Vega. Vista del puente en construcción. http://www.cehopu.cedex.es/cfc/pict/I-FC001-003.htm

Referencias:

 

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Declaraciones ambientales de productos prefabricados de hormigón

En una entrada anterior repasábamos algunos instrumentos y directrices para el desarrollo sostenible en la construcción. Aquí voy a recoger dos artículos firmados por Alejandro López Vidal, que es el Director Técnico de ANDECE y Secretario Técnico del Subcomité AENOR AEN/CTN 198/sc1 Edificación Sostenible, donde se explica en detalle qué son y para qué sirven las declaraciones ambientales de los productos prefabricados de hormigón. Espero que os sean de interés.

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Esto me suena… El viaducto sobre el río Almonte de Garrovillas de Alconétar

Viaducto sobre el río Almonte. Fuente: ADIF

Va siendo ya habitual colaborar de vez en cuando con el periodista José Antonio García Muñoz, conocido como Ciudadano García, sobre temas de ingeniería. Como ya he comentado en alguna entrada anterior, la labor de divulgación de las ciencias, y en particular de la ingeniería, resulta una tarea agradable y enriquecedora.

Hoy hemos hablado acerca del viaducto sobre el río Almonte de Garrovillas de Alconétar (Cáceres) con motivo de haber sido la obra ganadora de los premios anuales a la Excelencia en la Construcción con hormigón que otorga el ACI (American Concrete Institute). Con una longitud total de 996 m, la luz del vano principal es 384 m, que lo convierte en el puente ferroviario más grande de España y en el puente de arco de hormigón para servicio ferroviario de alta velocidad más grande del mundo. Si se compara sólo con puentes de arco de hormigón, fuera del uso ferroviario, es el tercero de mayor luz a nivel mundial; por detrás del puente de Waxian que presenta un arco de 421 m en China y el puente KRK con un arco de 390 m en Croacia. Destaca el uso de hormigón autocompactante de 80 MPa y su construcción monitorizada, que aportó información sobre el comportamiento de la estructura durante la construcción y la entrada en servicio.

Tener la oportunidad de comunicar aspectos de nuestra profesión a más de 300.000 oyentes supone todo un reto, más si lo que se busca es transmitir de forma sencilla y para todo el mundo, aspectos técnicos que, a veces, solo somos capaces de hacerlo con colegas o estudiantes. Insisto, todo un reto y una oportunidad que se agradece.

Os dejo a continuación el audio por si queréis escucharlo. Se grabó en directo, y suena tal cual se hizo. Espero que os guste.

También os dejo un vídeo del procedimiento constructivo, obra de FCC.

 

Optimización del mantenimiento basado en la fiabilidad bajo una perspectiva de ciclo de vida

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer cuartil, Environmental Impact Assessment Review, un artículo donde se optimiza el mantenimiento de un puente considerando el ciclo de vida. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 28 de noviembre de 2018 en el siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/a/1XsSkiZ5swxk7

 

 

Abstract:

Sustainability is of paramount importance when facing the design of long lasting, maintenance demanding structures. In particular, a sustainable life cycle design for concrete structure exposed to aggressive environments may lead to significant economic savings, and to reduced environmental consequences. The present study evaluates 18 different design alternatives for an existing concrete bridge deck exposed to chlorides, analyzing the economic and environmental impacts associated with each design as a function of the maintenance interval chosen. Results are illustrated in the context of a reliability-based maintenance optimization on both life cycle costs and life cycle environmental impacts. Maintenance optimization results in significant reductions of life cycle impacts if compared to the damage resulting from performing the maintenance actions when the end of the service life of the structure is reached. The use of concrete with 10% silica fume has been shown to be the most effective prevention strategy against corrosion of reinforcement steel in economic terms, reducing the life cycle costs of the original deck design by 76%. From an environmental perspective, maintenance based on the hydrophobic treatment of the concrete deck surface results in the best performance, allowing for a reduction of the impacts associated with the original design by 82.8%.

Keywords:

Life cycle assessment; Life cycle cost analysis; Chloride corrosion; Sustainable design; Maintenance optimization; Reliability

Reference:

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V.  (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.10.001

 

Las juntas de asiento en las estructuras de hormigón

Figura. Disposición de junta de asiento en un edificio de gran altura

Las estructuras de hormigón presentan distintos tipos de juntas, que responden a condiciones diferentes, que a veces se confunden entre sí. Las juntas pueden ser de dilatación, de hormigonado, de retracción o de asiento. Esta entrada trata de las juntas de asiento.

Las juntas de asiento se disponen en el hormigón para permitir asientos diferentes en dos zonas de una estructura. Sirven para separar la estructura en varias partes y afectan a la totalidad, por ejemplo, de un edificio, incluida la cimentación. La necesidad de independizar la estructura en partes se debe, por ejemplo, cuando existen grandes diferencias de cargas, que provocarían asientos diferenciales y distorsiones angulares. Es el caso de una torre de gran altura y pequeña superficie en planta, rodeada en su zona baja de un área edificada en una gran extensión, pero con poca altura (ver Figura). Otro caso sería la separación de dos tipos de cimentación, una superficial y otra profunda. Incluso se debería colocar una junta de asiento en el caso de que una cimentación se sustente en terrenos de comportamiento muy diferente. Hay que tener presente que, se puede hacer coincidir una junta de asiento con una junta de dilatación.